蛋白质是一种常见的生物大分子，其独特的三维结构带来了复杂多样的功能。随着结构解析实验技术的发展，人们已经成功得到了数以万计的蛋白质三维结构信息，并将其收集在相应的数据库中，如蛋白质结构数据库(Protein Data Bank，PDB)^[1]，蛋白质界面、表面和组装体数据库(Protein Interfaces, Surfaces and Assemblies，PISA)^[2]等。而以AlphaFold2^[3]为代表的蛋白质结构预测技术在最近取得了突破性进展，人们由此构建了更为庞大的结构预测数据库，如AlphaFold DB^[4]，包含超过100万个物种的2.14亿个蛋白质结构，几乎涵盖了地球上所有已知蛋白质。蛋白质的三维结构信息通常是以原子坐标的形式被记录在相应的文件中，借助Swiss PDB Viewer、Pymol等软件进行解读，可以实现结构信息的三维可视化。蛋白质三维模型可以帮助理解蛋白质的多级结构特征，包括蛋白质内部的疏水核心、氢键网络、蛋白质-小分子相互作用、蛋白质-蛋白质相互作用等，在阐明蛋白质结构与功能关系中起到关键的作用。在蛋白质相关知识点的学习过程中，借助可视化软件的办法虽然可以帮助学生们理解蛋白质结构的多样性与复杂性，但仍然不够直观，效果比不上可直接触碰和专研的实体模型。两者的结合优势互补，可大大加深学生的理解和印象。同时，制作模型的过程也可激发学生的学习兴趣和审美情趣，提升其学习主动性和创造性，得到兼具科学价值和艺术价值的作品，带来相当的成就感。

3D打印是一种新兴的成型加工技术，被广泛应用于建筑^[5]、教育^{[6, 7]}、医疗^[8]等领域。3D打印技术是将待打印物体的三维结构信息分解为多个二维片层的结构信息，逐层打印，从而得到精确结构的三维物体。常用的3D打印技术包括熔融沉积成型、光固化成型、粉末黏结等^[9]。其中，光固化技术使用光敏树脂为原料，通过紫外光或其他光源照射逐层固化，最终得到完整的产品，是一种简便快捷的3D打印方法。3D打印技术已经被用于教学模型的设计与制作中，并展现出独特的优势^{[6, 7]}。本文通过光固化3D打印技术，利用家用3D打印机与蛋白质结构数据文件，发展了一种蛋白质模型的制作方法，并通过这些模型，辅助学生理解蛋白质中的相关知识点。

3D打印蛋白质模型中的首要工作是利用蛋白质结构信息进行建模。建模主要分为两个步骤：(1) 通过相应的蛋白质结构数据库或模拟预测服务器下载目标蛋白质的坐标文件(如以.pdb结尾的文件格式)，并用Edu Pymol软件将其转化为可以在3D画图软件中编辑的文件(如以.wrl结尾的文件格式)；(2) 将转换好格式的蛋白质3D信息文件利用3D软件进行进一步编辑，使其利于3D打印。下面，我们以瘦素蛋白质(leptin, PDB ID: 1AX8)为例介绍具体的操作步骤。

从PDB数据库中下载相应的蛋白质坐标结构文件。通过阅读原始坐标文件，或利用软件进行可视化处理(本文可视化软件均使用Edu Pymol)，可发现其中存在部分结构的缺失(图 1(a)中虚线所示部分)。此类结构缺失是由于分子链自身的无序性所导致的，实验过程无法解析出准确的结构。利用基于同源建模的蛋白质结构预测服务器(如本文所采用的Robetta在线服务器^[10])可实现对于缺失结构的构建与补齐，建模结果如图 1(b)所示。若结构中无缺失部分，可直接进入下一步。通过Pymol软件去除在原始结构文件中的水分子(图 1(a)中红点所示)及不需要展示的小分子(如小分子配体或金属离子配体)。最后可根据模型需求选择所需要展示的模型种类，此处瘦素蛋白质选择的是卡通模型进行展示。

在Pymol命令框输入以下命令：

save path/name.wrl, obj_name

其中，path/name.wrl指代目标文件需要存储的地址与文件名，obj_name指代需要保存的对象在Pymol中的命名(该对象的默认命名为不含后缀的输入文件名)。

将文件初步转化为VRML2格式(.wrl文件)。VRML2是一种用于虚拟现实的模型结构文件，可被多种3D建模软件识别，包括Windows 10内置的3D Builder及Sketch Up、Solid Works等商业软件。3D建模软件可以实现对于.wrl文件的进一步修改以及编辑，最终将其输出为以.stl为后缀的立体光刻格式文件进行3D打印。

虽然将.wrl格式转换为.stl格式的文件即可进行3D打印，但是由于Edu Pymol直接输出的模型结构文件中的螺旋或片层厚度太小，实际打印过程中会出现支撑力不足导致模型塌陷的情况，故利用3D画图软件Cinema 4D (学生版)进行编辑，增加模型厚度以提供足够的支持力，维持模型稳定。具体操作如下：在模拟处加入一个布料曲面，将所有图层归在布料曲面图层之下，在布料曲面的对象属性中调整布料曲面厚度为0.3 cm (建议值)，最后将文件输出为.stl格式。操作前后模型的对比参见图 2。

将得到的.stl文件导入NovaMaker软件，根据模型情况添加相应的支撑(图 3(a))。一般而言，模型中的每个部分都需要在底板上有一个对应的支撑点。对于由β片层构成的蛋白，如绿色荧光蛋白(GFP)，还需要在片层之间添加小的连接以保证片层之间的相对位置；对于一般的模型而言，可以在软件中选择自动添加支撑，此外，也可进一步观察结构，对其中不稳定的部分手动增添支撑。这些支撑在打印成型后或者被除去，或者通过不同的颜色和模型主体区分开。接下来，对模型进行切片，片层厚度为0.05 mm (图 3(b))。

本工作采用Nova ELFIN2打印机(深圳市诺瓦机器人有限公司)和通用透明绿色光固化树脂(深圳市诺瓦机器人有限公司，货号：SRAR0-M10-1931，光谱范围：405 nm)对模型进行打印，底层曝光时间为30秒，正常曝光时间为6秒，抬升高度为4 mm，停止时间3秒，电机移动速度为100 mm∙min⁻¹。整体打印过程需要8小时左右。当然也可以使用其他品牌和型号的3D打印机，读者可根据说明书调整相应的打印参数。打印结束后，用无水乙醇冲洗模型表面以除去未聚合的树脂，再利用紫外灯或日光照射1–2小时，对模型进行二次固化，初步完成效果如图 4(a)所示。之后，用模型水口钳去除打印时添加的临时支撑。同时，为提升成品的质感并增添细节，还需要用模型用漆(或丙烯颜料)对得到的模型进行上色。此外，受到重力影响，部分结构容易变形，可采用亚克力棒对其进行固定，以便更好地展示。最终成品如图 4(b)所示。

在3D打印中，可根据模型的预期展示效果，选取不同的树脂材料，并依据产品说明书和实际效果决定打印参量(包括合适的曝光时间、电机移动速度等)。一般而言，刚性树脂材料是通用的选择，其缺点是较脆。树脂的颜色可以根据个人喜好进行选择。在模型制作过程中，可将多结构域蛋白质拆分为单结构域蛋白质，分别进行打印，在涂装完成后，再进行组装。同时，可将金属离子与小分子配体从结构中分离出来，单独打印，再和蛋白质模型对接拼装在一起，其打印方法和蛋白质类似。当然，这种方法也同样可以拓展到DNA、RNA等生物大分子或其复合物模型的制作。

α-螺旋被称为3.6₁₃螺旋，每个氨基酸沿螺旋延伸方向上升0.15 nm，螺距为0.54 nm，每隔13个原子螺旋上升一周。其中，第i位氨基酸上的羰基(C＝O)与第i + 4位的氮氢键(―NH)形成氢键。整体上，氢键的方向性协同效应使得α-螺旋具有极性。螺旋中心不含空腔，原子处于紧密堆积的状态。在讲授该部分的时候利用不展示氢原子的球棍模型(图 5(a))和展示侧基的飘带模型(图 5(b))，可以很好地解释相关知识点。在球棍模型中，将主链上的碳原子涂绿色，氧原子涂红色，氮原子涂蓝色，学生可以通过实体模型中不同颜色的原子直接观察出13个原子旋转一周的特点，同时还可以根据红色与蓝色原子的相对位置找到螺旋中氢键的走向，进一步理解螺旋结构的极性。从螺旋球棍模型或飘带模型的任意一端观察，学生可以直观地理解其不含有空腔的结构特点。从实体模型入手，让书本上二维的结构特征真正呈现在三维空间内，化抽象为具体，可以让学生认识更加深刻，更容易记住。

2012年，Howarth等人^[11]通过拆分纤连结合蛋白FbaB中的胶原黏连结构域CnaB2，发展出强大的多肽-蛋白质共价偶联工具——谍标签/谍捕手反应对(PDB：4MLI)。该反应对可在生理条件下自发重组，并高效形成异肽键，具有高特异性、高产率、高环境耐受性等特点(图 6(a))。这首先得益于谍标签和谍捕手之间的分子识别和形状契合，使其高效重组，并引发自催化反应，促进异肽键的生成。我们利用谍标签与谍捕手复合物的界面模型图(图 6(b))，设计了一个可拆卸的模型，其中绿色部分为谍捕手，红色为谍标签(图 6(c))。通过该实体模型，学生可以直观认识多肽和蛋白质在界面相互识别，形状互补，组合形成复合物的过程。可拆卸重组的模型也为课堂讲授带来了更多乐趣，加深了学生们对于蛋白质-蛋白质相互作用的认识。这类方法也同样适用于展示小分子-蛋白质相互作用(比如酶活性口袋与小分子的识别和结合)。

3D打印的蛋白质模型除了应用于日常教学和科研展示中，也具有一定的艺术展示价值。它们的表现方式可以是多种多样的，可以被做成包括摆件和钥匙扣等形式在内的展示品，应用到教学和生活中的方方面面。例如，我们设计制作了以绿色荧光蛋白(PDB：4P1Q)为主体的展示模型摆件以及体现表面电荷分布的二氢叶酸还原酶(PDB：5DXV)模型的钥匙扣(图 7)。这是模型实践课程中很受欢迎的话题。学生可以根据自己的兴趣与审美，按需设计和制作各式各样的蛋白质展示模型，得到兼具科学价值和艺术价值的作品。最终成品归学生们所有，可充分调动其学习主动性和创造性，促进对其所钻研对象的自豪感和成就感，起到寓教于乐的作用，对于会议报告和科普宣传都很有帮助。

本文描述了一种利用3D打印技术来制作蛋白质模型的一般方法，并将其应用于蛋白质相关知识点的课堂教学和课后实践。这种蛋白质结构展示方法相较于其他方式更加直观，可将一些较为抽象的概念具象化，并充分调动学生们在课堂上的积极性和提高参与程度，大大加深对相关知识点的理解程度。同时，制作得到的蛋白质模型也具有一定的艺术性，可作为艺术展示作品参与科研交流和科普宣传，提高公众对科学研究对象的了解和欣赏。